LEBDILNIK - Hovercraft

Lebdilnik je večnamensko plovilo, ki lahko potuje po vodi in kopnem. To mu omogoča blazina zraka, katero si ustvarja sam. Ima dva ločena sistema. Dvižni sistem zagotavlja blazino zraka s pomočjo katere lahko potuje preko različnih vrst ovir. Krilo okoli ogrodja zadrži ta zrak in se prilagaja ostrim oviram. Potisni sistem pa mu omogoča gibanje. Te vrste plovil so zelo praktične saj je tu trenje s podlago reducirano na minimalno. Težave nastopijo pri zaviranju in zavijanju, saj se ti pri tem kopenska vozila običajno zanašajo na trenje med vozilom in podlago.

Mi smo za meritve uporabili lebdilnike brez potisnega ventilatorja. Osredotočili smo se predvsem na to, zakaj lebdilnik lebdi. Zanimalo nas je, če je dvižna sila res sestavljena le iz sile tlaka pod lebdilnikom in sile curka ventilatorja in kako na dvižno silo vpliva oblika zavese.

gor

2. SESTAVNI DELI LEBDILNIKA

Sestavljen je iz štirih osnovnih komponent. Te lahko precej varirajo na modelih, saj tudi ta tehnologija napreduje. V osnovi pa ima vsak lebdilnik ogrodje, na katerega so montirani sestavni deli. Potrebuje vsaj en ventilator (navadno dva) s katerim lahko delimo zrak na dva toka. Dvižni tok zraka konstantno polni krilo z zrakom in mu zagotavlja konstanten tlak. Potisni tok zraka pa s pomočjo drugih mehanizmov omogoča gibanje.

gor

2.1. DVIŽNI VENTILATOR

Dvižni ventilator je pri lebdilnikih statičen. Zagotavlja nek konstanten dotok zraka in deluje tudi pri konstantni moči. Ti ventilatorji so po konstrukciji drugačni od potisnih. Površina lopatic mora biti čimvečja in prav tako število. To preprečuje, da bi zrak uhajal v nasprotno smer . Takšni ventilatorji pri nizkih obratih omogočajo dober konstanten tlak v primerjavi s tistimi, ki imajo le dve lopatici in majhne površine. Slaba stran večkrilnih propelerjev je precej trenja z zrakom in to, da jih bistveno težje ženemo pri visokih obratih. V naših poizkusih smo na začetku uporabljali šestkrilni propeler narejen iz lahke plastike, nato pa smo ga iz tehničnih razlogov zamenjali z dvokrilnim.

gor

2.2. KRILO

Krilo je eden pomembnejših sestavnih delov lebdilnika, saj omogoča premagovanje ovir, ki so manjše od višine krila. Težave lahko nastopijo tudi, če je krilo previsoko, saj postane tak lebdilnik zelo nestabilen in se lahko ohišje sesede na krilo. Narejeno je iz lahkega vodoodpornega materiala, kot je najlon ali plastika. Mi smo v enem od modelov uporabili kar pvc vrečko, kar se je tudi obneslo. Pri drugih modelih so bila krila kar lesena. S tem smo izgubili sposobnost premagovanja ovir, smo pa preizkusili kako se obnašajo različne oblike kril. Ta so v glavnem treh vrst.

VREČASTO KRILO (bag skirt),

obdaja lebdilnik kot nekakšna zračnica. Uprablja se pri dirkalnih lebdilnikih in predvsem pri velikih hitrostih. Tu sta dve metodi črpanja zraka. Pri prvi metodi gre zrak direktno v krilo in tam preko lukenj v spodnjo komoro. Pri drugi metodi pa gre za vzporedno črpanje zraka v komoro in krilo.

JUPED SKIRT

Ta krila se uporabljajo tam, kjer je stabilnost zelo pomembna, na primer pri tovornih in transportnih lebdilniki. Spodnja stran je sestavljena iz veliko prirezanih stožcev, ki omogočajo enakomeren tok zraka po celotni površini. Tako ne prihaja do nagibanj in nestabilnosti. Njihova slaba stran je, da se hitro obrabijo pri vožnji po travi, saj je rezmik med tlemi in spodnjim delom krila precej majhen. Poleg tega lahko med vožnjo po vodnih površinah zajamejo precej vode.

SEGMENTIRANO KRILO

Segmentirano krilo prav tako poveča stabilnost lebdilnika. Več segmentov oz stolpcev zraka tudi omogoča enakomeren in porazdelejen tok zraka. Vendar se tudi takšno krilo precej hitro obrabi

gor

2.3. OGRODJE - ŠASIJA

Ogrodje mora biti čim lažje in čim močnejše. Za njegovo izdelavo se večinoma uporablja kombinacija steklenih vlaken in epoksidne smole saj ob majhni masi omogoča veliko trdnost in prožnost . Tudi oblika šasije je zelo pomembna. Večina lebdilnikov (tudi naših) so pravokotne oblike. Začetni lebdilniki so bili tudi okrogli, vendar je imel voznik tako zelo slab nadzor nad smerjo vožnje. Z izboljšanjem aerodinamike je bila odpravljena tudi ta težava. Šasija mora biti sposobna prenesti maso dveh ventilatorjev, voznika in vseh pripomočkov za vožnjo. Vsa ta teža mora biti tudi čimbolj enakomerno porazdeljena po površini.

gor

2.4. POTISNI VENTILATOR

Potisni ventilator pa mora pretočiti maksimalno količino zraka, da je sila curka čim večja. Za to je potreben velik premer ventilatorja. To lahko razberemo iz enačbe za silo curka (F = ρ∙S∙v2). Tu se po navadi uporablja dvokrilen propeler (lahko tudi več), ki ima majhno površino in zelo visoke obrate. Tako je idealno, če je ta čim lažji in ima majhen vztrajnostni moment. Ker pa lebdilniki nimajo zavor, mora za to prav tako poskrbeti potisni ventilator. Tako moramo imeti možnost čim hitreje spreminjati hitrost obračanja krilc oziroma potrebujemo maksimalen kotni pospešek.

gor

3. TEORETIČNI MODEL

Da lahko lebdilnik lebdi mora biti vsota sil nanj v navpični smeri enaka 0. Te sile so: sila tlaka, sila teže in sila curka ventilatorja. Poleg teh sil deluje na lebdilnik še sila curka zraka, ki se odbija od krila. Ta je odvisna od oblike zavese in hitrosti zraka pod lebdilnikom blizu krila. Za slednjo sklepamo, da je majhna, zato bomo to silo zanemarili. Velja torej:

(1)

Fg = Svρv2 + pSL

p = (Fg – Svρv2)/SL

Da je stanje stacionarno, mora biti pretok zraka skozi ventilator enak pretoku pod krilom. Hitrost pod krilom izračunamo iz Bernoullijeve enačbe in dobimo:

(2)

Φv = oh( 2p/ρ)1/2 = oh( 2(Fg - SVρv2) / ( ρSL) )1/2

h = Φvo-1 ( ( ρSL) / 2(Fg – Svρv2) )1/2,

kjer je o obseg, h pričakovana višina, Φv pretok skozi ventilator in v hitrost zraka, ko pride skozi ventilator. Zadnji dve količini sta pri danem ventilatorju dvisni od električne moči in tlaka. Karakteristiko ventilatorja bomo izmerili tako, da bomo ventilator postavili na različne dovolj majhne višine nad tehtnico in merili silo v odvisnosti od električne moči. Ventilator namreč na dovolj majhni višini nad tlemi ustvarja nadtlak, ki ga znamo izračunati. Predpostavimo, da je hitrost zraka v enaka po vsej površini ventilatorja. Vzamemo valj s polmerom r in višino b (višina ventilatorja nad tlemi) okrog osi ventilatorja. Zrak ki priteče skozi zgornjo osnovno ploskev mora odteči skozi plašč, torej velja:

(3)

πr2v = 2πrbvr

vr = rv / (2b) ,

kjer je vr radialna hitrost zraka pod ventilatorjem na razdalji r od osi. Iz Bernoullijeve enačbe sledi:

(4)

dp = -ρvrdvr = -(v2 ρ/ 4b2) rdr

postavimo p(R) = 0 in integriramo od R do r, pa dobimo izraz za nadtlak v odvisnosti od razdalje od osi. Nadtlak integriramo po vsej površini ventilatorja in dobimo:

(5)

Fp = ρSv2∙R2/16h2

druga sila, ki prispeva k izmerjeni sili je sila curka. Velja torej:

(6)

Fizmerjena = ρSv2 ( 1 + R2/16h2)

Iz tega in iz meritev lahko dobimo karakteristiko ventilatorja.

gor

4. MERITVE

POTEK MERITEV

Za meritve smo naredili več lebdilnikov s krili različnih oblik. Kot material za ogrodje smo uporabili vezano ploščo, plastiko, laminat in karton, krila pa so bila iz lesa, kartona, polivinila in gume. V nekaterih primerih smo se za trdno zaveso odločili, ker je bila lažja za izdelavo in ker to ni vplivalo na meritve.Za ventilator smo najprej uporabili ventilator iz računalnika, na katerega smo pritrdili močnejši elektromotor. Takšen ventilator je bil učinkovit, a občutljiv. Ko se nam je že drugič pokvaril, smo ga raje nadomestili z navadnim dvokrakim propelerjem. Ta je imel sicer manjši izkoristek, a je zanesljivo deloval pri večji električni moči. Karakteristiko ventilatorja smo izmerili tako, da smo ga pritrdili nad tehtnico, merili silo curka v odvisnosti od električne moči in to ponovili na treh različnih višinah. Nato smo ta ventilator pritrdili na različne lebdilnike in na nekaterih opravili meritve. Dvignili so se vsi lebdilniki razen tistega brez krila, kjer pa dviga niti nismo pričakovali (hitrost zraka pod njim je bliže osi večja kot na robu, torej je tlak v notranjosti manjši od tistega na robu, torej manjši od zračnega tlaka nad lebdilnikom).

V prvem delu meritev smo merili največjo maso, ki jo lahko lebdilnik dvigne v odvisnosti od električne moči. Ta del smo opravili z L3 (vrečasto krilo), L1 (krilo nagnjeno za 45° navzven) in L5 (krilo nagnjeno za 45° navznoter). Ta meritev se je kasneje izkazala za neuporabno in sicer iz dveh razlogov. Prvi je ta, da je v mejnem primeru skoraj nemogoče videti, ali se lebdilnik še delno naslanja na tla, ali je že popolnoma dvignjen. Drugi razlog je, da ne znamo zanesljivo napovedati obnašanje ventilatorja v primeru, ko tlačna razlika skoraj ustavi pretok zraka skozenj. Neposredno tega nismo mogli meriti, saj nismo imeli dovolj natančnega manometra.

V drugem delu meritev smo merili maksimalni dvig lebdilnika in električno moč. Ta del smo opravili le z L1 in L5.

Pri meritvah smo opazili, da so bili stabilnejši lebdilniki z mehkim krilom in tisti s krilom, nagnjenim navzven.

KARAKTERISTIKA VENTILATORJA

4cm

2cm

1 cm:

MERE SESTAVNIH DELOV (vsa krila razen pri L3 so visoka 2 cm) )

Predmet	Masa	Povrsina [m2]	Obseg[m]
Motor1	92,1g
Motor0	157g
lebdilnik L1	151g	6,25E-02	1
lebdilnik L2	118,2g	4,52E-02
lebdilnik L3	95g	6,10E-02
lebdilnik L4	227g	6,24E-02
lebdilnik L5	71,5g	4,00E-02	0.817
lebdilnik L6	33g	5,90E-02

MAKSIMALNA OBREMENITEV

L3:

U[v]	I[A]	max m[g]
3	1,25	187
3,3	1,46	257
3,7	1,8	330
3,9	1,9	359
4,2	2,15	434
5,4	3	692

L5:

U[v]	I[A]	max m[g]
3,2	1,3	164
3,7	1,7	234
4,2	2,06	307
4,5	2,25	336
4,9	2,55	411

L1:

U[v]	I[A]	max m[g]
3,5	1,45	243
3,9	1,7	313
4,6	2,1	386
4,8	2,3	415
5,1	2,55	490

MAKSIMALNI DVIG

lebdilnik	max h [mm]	Pel[W]
L1	5	14.9
L5	9	16.1

gor

5. REZULTATI

Iz meritev je razvidno, da izmerjena sila

(7)

Fizmerjena(Pel) = ρSvv2 + Svpskupen

na našem merilnem območju skoraj ni odvisna od višine ventilatorja (torej tudi ne od tlaka pod ventilatorjem) ampak le od električne moči. Ker so tudi tlaki pod lebdilniki na tem območju, lahko predpostavimo da zgornja enačba velja tudi pri njih. Pri tem sicer naredimo nekaj napake, vendar je ta majhna v primerjavi z napakami nekaterih drugih naših meritev.

(8)

pskupen = (Fg – ρv2Sv)SL + ρSvv2R2 / 16b2

Fizmerjena(Pel) = ρSvv2(1 - Sv/SL + R2 / 16b2 ) + Fg Sv /SL

v2 = (Fizmerjena(Pel) - Fg Sv /SL) / ( ρSv (1 - Sv/SL + R2 / 16b2 ) )

Φ = Svv

Φ in v vstavimo v (2) ter izračunamo pričakovano višino lebdilnika.

pričakovana višina L1: 6.4 mm.

pričakovana višina L2: 8.5 mm

Izmerjena višina se ujema s pričakovano v okviru napake – ta je velika, saj je višino ledilnika zaradi tresljajev zelo težko izmeriti. Še večja je napaka pri merjenju največje mase, ki jo lebdilnik lahko dvigne, saj je nemogoče zanesljivo oceniti, kdaj se lebdilnik do konca dvigne.

gor

UGOTOVITVE

Sila tlaka in sila curka gotovo sestavljata večino dvižne sile, naš teoretični model pa daje rezultate, ki so dokaj blizu izmerjenih. Razlika je tolikšna, da bi še lahko bila posledica merske napake, lahko pa bi nanjo vplivale tudi anomalije, ki so posledica majhnih mer in preproste izdelave naših lebdilnikov (višina nad tlemi ni majhna v primerjavi z višino zavese, zrak pa priteka iz sredine, zato hitrosti blizu sredine niso majhne in je tlak manjši, kot bi pričakovali).

Opazili smo da oblika in vrsta zavese na vpliva močno na dvižno silo, je pa pomembna za stabilnost. Bolj stabilni so bili lebdilniki z mehko zaveso, nagnjeno navzven.

gor

7. SLIKE